第 7 章光纤传感检测技术

第7章光纤传感检测技术

关于光纤传感器： • 从原理上看，以光学技术为基础，将测量对象的状 • 态变成光信号的形式取出；从材料上看以石英为主，适于在高电压、电磁干扰、海水下以及化学腐蚀气氛等环境条件下使用。 2. 光纤是优越的低损耗传输线，使用时可不必考虑测量设备与被测对象的相对位置，可用于一般电子传感器难以适应的场合。 3.光纤传感器与光电检测器件、电子装置有良好的兼容。

光纤有很多的优点，用它制成的光纤传感器（FOS）与常规传感器相比也有很多特点：抗电磁干扰能力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。 • 光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、pH值等70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。

斯涅尔(Snell)定律 临界角 7.1 光纤传感器的基础一、光纤波导原理

存在的问题： 表面污染引起能量损耗解决方案：

完整光纤模型： 光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)为 NA——定义为“数值孔径”。它是衡量光纤集光性能的主要参数。

梯度光纤 阶跃光纤二、光纤的特性与分类 1. 光纤运动路径不同，使得光脉冲沿光纤展宽 ——色散改善方法：速度补偿

阶跃光纤 梯度光纤

2. 损耗 ① 吸收损耗：紫外吸收、红外吸收、杂质吸收 ② 散射损耗：瑞利（Rayleigh）散射、拉曼（Raman）散射瑞利散射

③ 其它损耗： 菲涅耳（Fresnel）反射菲涅耳反射

按纤芯和包层材料性质分类： 玻璃光纤塑料光纤按传输模式分类：单模光纤多模光纤按用途分类：通信光纤特殊光纤低双折射光纤高双折射光纤涂层光纤液芯光纤激光光纤红外光纤 3. 其它分类方式

三、光纤传感器分类 光纤传感器一般可分为两大类： ① 功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器。

② 非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又NF型光纤传感器利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此，也称传光型光纤传感器。

光纤传感器分类

四.光纤传感器的发展趋势 1.当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研究对象。 2. 集成化光纤传感器。 3.多功能全光纤控制系统。 4.充分发挥光纤的低传输损耗特性，发展远距离监测系统。 5.开辟新领域。

7.2 光纤的光波调制技术 • 光的调制和解调可分为：强度、相位、偏振、频率和波长等方式。 • 光的调制过程就是将一携带信息的信号叠加到载波光波上；完成这一过程的器件叫做调制器。 • 在光纤传感器中，光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电探测器进行检测。

一、强度调制与解调 光纤传感器中光强度调制是被测对象引起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。强度调制与解调原理图

当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。 1. 几种常用的光强调制技术（1）微弯效应

（2）反射式光强度调制 光强大小与光纤端面和被测物体间距离有关探头结构

（3）透射式光强度调制 利用透射实现的光强度调制途径： ① 线性位移、角位移 ② 利用光闸（遮光板）进行强度调制光闸类型：光开关、光劈、可动透镜、光栅、莫尔条纹

利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理量引起传感材料折射率的变化； ②利用渐逝场耦合； ③利用折射率不同的介质之间的折射与反射。（4）利用折射率变化的光强度调制

（5）光纤的吸收实现光强度调制 在光纤芯中掺入特殊材料，改变光纤的吸收特性。如掺入产生吸收光谱的材料，由于光纤的吸收损耗的增大导致输出功率的降低；或掺入产生荧光的杂质，利用外来辐射激发光纤，检测荧光。

信号电流 前置放大器输入端等效电阻热噪声电流光信号噪声电流 2. 强度调制的解调强度调制型光纤传感器的关键是信号功率与噪声功率之比要足够大功率信噪比光电检测器噪声电流 PL总光功率 Ps信号功率

利用外来因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振面的旋转（即偏振态的变化）来检测物理量，称为偏振调制。利用外来因素改变光的偏振特性，通过检测光的偏振面的旋转（即偏振态的变化）来检测物理量，称为偏振调制。二、偏振调制与解调 • 光波是横波。自然光线偏振光（平面偏振光）圆偏振光椭圆偏振光部分偏振光 • 光纤传感器中的偏振调制器常利用电光、磁光、光弹等物理效应。

当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。 1. 调制原理（1）普克耳（Pockels）效应两正交的偏振光的相位变化：

普克耳效应的应用

平面偏振光通过带磁性的物体（或磁场）时，其偏振光面发生偏转，光矢量旋转角：平面偏振光通过带磁性的物体（或磁场）时，其偏振光面发生偏转，光矢量旋转角：（2）法拉第磁光效应法拉第磁光旋转是一种磁感应旋光性费尔德常数，表征法拉第效应的大小 H：磁场强度 L：作用距离

采用YIG的光学式磁场传感器

（3）光弹效应 光弹效应又称应力双折射：在垂直于光波传播方向施加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。偏振光的相位变化：

三、相位调制与解调 基本原理：通过被测能量场的作用，使能量场中的一段敏感单模光纤内传播的光波发生相位变化，利用干涉测量技术把相位变化变换为振幅变化，再通过光电探测器进行检测。相位调制技术实质上是产生光波相位变化的物理机制和光的干涉技术的综合应用。 ☆压力、张力和温度等外因能直接改变光纤波导的长度、折射率及其分布以及波导的横向几何尺寸等，若这些波导参数发生变化，则必然发生光波的相位变化，从而实现了光纤的相位调制。

1. 实现干涉测量的仪器 （1）迈克尔逊干涉仪

特点：没有或很少有光返回到激光器。 返回到激光器的光会造成激光器的不稳定噪声，对干涉测量不利。（2）马赫－泽德尔（Mach-Zehnder）干涉仪

两束光均形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器。两束光均形成传播方向相反的闭合光路，并在分束器上会合，送入光探测器。（3）塞格纳克（Sagnac）干涉仪当把这种干涉仪装在一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时，若平台以角速度Ω顺时针旋转，则在顺时针方向传播的光较逆时针方向传播的光有相位延迟：

（4）法布里—帕罗（Fabry-Perot）干涉仪 ☆ 多光束干涉根据多光束干涉原理，探测器探测到干涉光强度的变化：

2. 四种类型光纤干涉仪结构

目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。目前主要是利用光学多普勒效应实现频率调制。 f1 f2 四、频率调制与解调频率调制时光纤往往只起传输光信号的作用，而不作为敏感元件。解调原理同相位调制的解调。（外差检测）

7.3 光纤传感器实例 一、光纤位移传感器 1. 反射式光纤位移传感器

利用2个探头获得的平均输出可以提供灵敏度，并可获得目标移动方向的信息利用2个探头获得的平均输出可以提供灵敏度，并可获得目标移动方向的信息两探头置于目标同侧两探头置于目标两侧

光纤液位传感器 基于全反射原理

2. 集成光学微位移传感器

半导体透射率 相对发光强度 LED发光光谱透射率 T1<T2<T3 T1 T2 T3 波长二、光纤温度传感器 1. 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体的吸收光谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t 的关系可表示为： t↑Eg ↓即本征吸收波长λg∝ t 透射光强度将随着温度的升高而减小，通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。

2. 热色效应光纤温度传感器 热色效应：自然界有很多无机溶液的颜色随温度升降而变化，因此溶液的光吸收谱线也随温度升降而变化。 (CH3)3CHOH+CoCl3

1 2 3 4 3. 开关型光纤温度传感器采用各种与温度有关的遮断机构和材料（可以是石蜡、铁氧体及水银柱）响应时间长，适用于火灾报警及温度设备监视系统水银柱式光纤温度开关 1 浸液；2 自聚焦透镜； 3 光纤；4 水银

1 2 接收光源 4.遮光式光纤温度传感器当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。热双金属式光纤温度开关 1 遮光板； 2 双金属片

5.其它类型的温度传感器 ① 光纤辐射温度传感器 ② 荧光辐射温度传感器 ③ 光纤液体温度传感器 ④ 光纤偏振温度传感器利用硅的旋光性随温度调制的偏振传感器 ⑤ 相位调制型光纤温度传感器如马赫－泽德尔光纤温度传感器

则相移： 三、光纤角速度传感器（光纤陀螺）物理基础：赛格纳克效应传输时间： N匝光纤，且A=πR2：

四、光纤压力（振动）传感器 1. 光纤压力（振动）传感器优点：体积小，抗电磁和射频干扰好，精度高，非接触性测量 ① 透射式（或反射式）光纤压力（振动）传感器

第 7 章 光纤传感检测技术